JP2004514867A

JP2004514867A - Burner with stepped fuel injection section

Info

Publication number: JP2004514867A
Application number: JP2002536470A
Authority: JP
Inventors: エログル・アドナン; ペンネル・ドーグラス
Original assignee: アルストム（スイッツァーランド）リミテッド
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: EP1344002A1; CN1524172A; US7189073B2; DE50113673D1; US20040053181A1; DE10051221A1; JP4143404B2; WO2002033324A1; EP1344002B1; CN1232762C; AU2001290189A1; US20050175948A1

Abstract

【解決手段】本発明は、段付された燃料噴射部を有するバーナーに関し、このバーナーにおいて、燃料噴射部のための、少なくとも２つの分離された段部４ａ、４ｂが、渦形成体１に沿って設けられている。このバーナーは、第１の段部４ａと第２の段部４ｂとの間に分離部材８が設けられており、この分離部材が燃焼室３の方向に延在し、且つこの第１の段部４ａの領域において流入する燃焼用空気流を第２の段部４ｂの領域において流入する燃焼用空気流から分離する、ことによって特徴付けられる。この提案されたバーナーは、同様に低いバーナー出力の際にも、僅かの燃焼脈動でもって作動され得る。The present invention relates to a burner having a stepped fuel injection section, in which at least two separate steps (4a, 4b) for the fuel injection section are arranged along the vortex former (1). It is provided. In this burner, a separating member 8 is provided between a first step 4a and a second step 4b, the separating member extending in the direction of the combustion chamber 3, and the first step 4a. It is characterized by separating the incoming combustion air stream in the area of section 4a from the incoming combustion air stream in the area of the second step 4b. The proposed burner can also be operated with low combustion pulsations, even at low burner power.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段付された燃料噴射部を有する、燃焼用空気流のための渦発生器、およびこの燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段から構成されているバーナーに関し、その際、
この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段が、少なくとも、１つの第１の燃料流出開口部のグループを有する第１の燃料供給部、および、これら燃料流出開口部の第１のグループの下流側に、１つの第２の燃料流出開口部のグループを有する第２の燃料供給部を備えており、且つ、
これら燃焼用空気流のための燃料流出開口部並びに流入開口部の第１および第２のグループが、この渦発生器によって形成された渦空間に沿って、配設されている。この様式のバーナーに関する有利な使用分野は、蒸気およびガスタービン技術における使用である。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第３２１　８０９号明細書から、多数のシェルから成る円錐形のバーナー、いわゆる二重円錐バーナーが公知である。円錐形の、多数のシェルから構成される、渦空間を内部において形成する渦発生器によって、閉鎖された渦流動が円錐頭部において形成され、この渦流動が、増大する渦（Ｄｒａｌｌｓ）に基づいて、円錐尖端部に沿って不安定になり、且つ、逆流を有する環状の渦流動へと、核心内において移行する。これら渦発生器のシェルは、バーナー軸線に沿って、燃焼用空気のための接線方向の空気流入スリットが、形成されるように構成されている。このことによって形成する、円錐シェルの流入エッジ部において、供給部が、予備混合ガス、即ちガス状の燃料のために設けられており、この供給部は、バーナー軸線の方向で、渦空間に沿って分配された流出開口部を、この予備混合ガスのために有している。このガスは、これら流出開口部、もしくは穿孔を通って、空気流入スリットに対して横方向に、噴射される。この噴射は、渦空間内において形成される、燃焼用空気−燃焼ガス−流動の渦との関連状態において、良好な燃焼ガス、もしくは予備混合ガスの燃焼用空気との混ぜ合わせを誘起する。良好な混ぜ合わせは、この様式の予備混合バーナーの場合、燃焼工程の際の低いＮＯｘ値のための前提条件である。
【０００３】
この様式のバーナーの更なる改良として、ヨーロッパ特許公開第２８０　６２９号明細書から、熱発生器のためのバーナーが公知であり、このバーナーは、渦発生器に引き続いて、燃料と燃焼用空気の、更なる混合のための付加的な混合区間を有している。この混合区間は、例えば、後置された管体として構成されており、この管体内へと、この渦発生器から流出した流動が、取り立てて言うほどの流量損失無しに、移送される。この付加的な混合区間によって、混合度は、更に続けて向上し、且つ従って、有害物質放出が低減される。
【０００４】
図１は、概略的に、この様式のバーナーのための一例を示しており、これらバーナーの場合、燃料が、流出開口部を通って、バーナー軸線に沿って渦形成体１内において設けられた供給通路内において、流入した燃焼用空気と混合される。この図において、この場合、その渦形成体によって囲繞された渦空間１ａを有する、バーナーの円錐形の渦形成体１が図示されており、この渦形成体に沿って、流出開口部２　−この図において、噴射される燃料に関して矢印によって示されている−　を有する燃料供給部が延在している。これら燃料供給部は、一般的に、個別の通路として形成されており、これら通路が、これら燃料流出開口部２の不動の分配部を、このバーナー軸線に沿って有している。更に、この図１において、パイロットランス（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｌａｎｚｅ）５が認識可能であり、このパイロットランスを介して、バーナーの始動の際、この燃料は、直接的にこの渦空間１ａ内へと噴射される。次いで、負荷が増大した際、このパイロット段（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｓｔｕｆｅ）から予備混合作動状態への切替えが行われ、この予備混合作動状態において、この燃料は、これら上記の燃料流出開口部２を通って、流れ込む燃焼用空気と混合される。
【０００５】
更に周知された予備混合バーナーのバーナー幾何学的形状は、国際出願公開第９３／１７２７９号明細書から公知である。この配設の場合、付加的な円錐形の内側体を有する円筒形の渦発生器が使用される。予備混合ガスは、同様に、軸線方向に指向する空気流入スリットに沿って設けられている適当な燃料流出開口部を有する供給部を介して、渦空間内へと噴射される。このバーナーのパイロット供給部（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｚｕｆｕｅｈｒｕｎｇ）は、この円錐形の内側体の端部に設けられている。このパイロット装置（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇ）は、しかしながら、増大されたＮＯｘ放出を誘起する。何故ならば、この作動方法の場合、ただ不十分な燃焼用空気との混合が行われるだけだからである。
【０００６】
全ての公知のバーナーシステムの場合、燃料の１段式の供給部が、予備混合作動状態において設けられている。バーナー軸線に沿っての燃料供給部材の流出開口部の大きさ、分配状態、配設状態、間隔、並びに数量は、この場合に、僅かの排気ガス放出に対する諸要件、消火限界、逆火限界、並びに燃焼の安定性に対する諸用件を満たすために、最適化されねばならない。この場合、これら全ての諸要件を、これら流出開口部の固定の分配でもって、同様に変化する作動諸条件および周囲諸条件のもとでも満たすことは、ほぼ不可能である。
【０００７】
予備混合バーナーの作動のための公知の方法の更なる欠点は、これら予備混合バーナーが、低い排気ガス放出および低い燃焼振動のために、全負荷状況のもとで最適化されていることにある。このバーナーを始動するため、およびガスタービンをスタートさせるために、付加的なパイロット段が必要とされ、このパイロット段が、しかしながら、排気ガス放出値を著しく上昇させる。
【０００８】
出願人の平行して同時に行われている特許出願において、この問題点を解決するために、バーナー装置が提案され、このバーナー装置の場合、燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段は、少なくとも１つの、第１の予備混合燃料量のための燃料流出開口部の第１のグループを有する第１の燃料供給部、および第２の予備混合燃料量のための、これら燃料流出開口部の第１のグループの下流側の燃料流出開口部の第２のグループを有する第２の燃料供給部を備えている。これら燃料流出開口部を有する燃料供給部は、この場合、渦空間に沿った渦形成体に、このバーナーの長手方向に配設されており、且つ、少なくとも２つの相互に依存しない、燃料のための通路に分割されている。段付された燃料噴射部を有するこの様式のバーナーシステムの使用によって、１段式のバーナーシステムに比べて明確に拡大された作動領域が可能になる。特に、このバーナーの作動方法は、排気ガス放出に関して、最適に、その都度の作動負荷に適合される。更に、パイロットランスを介しての燃料供給部は、もはや必要ではない。何故ならば、唯一の作動が、第１段（例えば、図２における２ａ）のこれら燃料流出開口部でもって、十分に高い局部的な温度をこのバーナー軸線上で誘起し、これに対して、全断熱温度（ｇｅｓａｍｔａｄｉａｂａｔｉｓｃｈｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒ）は、更に引き続き低いからである。
【０００９】
完全に予備混合された燃料−空気混合物でもっての、バーナーの消炎限界は、１６００Ｋ以上の消炎限界を有する。最新式のＡＡＰガスタービンは、無負荷運転状態において、および低い負荷の場合に、燃焼の際に９００から１６００ケルビンまでの断熱的な温度を発生する、燃料−空気混合物でもって作動される。従って、燃料を全ての使用可能な燃焼用空気内において燃焼させることは不可能であり、従って、このバーナー内における核心空気の富化が、パイロット装置によってバーナーネック部の領域において必要である。このことは、特に、１段式の燃料噴射部を有する従来技術の上記のバーナーに関連している。
【００１０】
２つの分離された領域へと燃料供給部を分配することによる、多段式の燃料噴射部を有する、出願人によって開発されたバーナーは、特に、ＮＯｘ放出、および燃焼脈動の強度の減少を、１６５０Ｋ以上の比較的に高い火炎温度において示す。第１の段が基本的に単独に作動され、且つ従ってパイロット段と同じような機能を満たす場合、この脈動の問題は、しかしながら、更に常に１５００Ｋ以下の温度の場合にも発生する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、１６００Ｋ以下の比較的に低い燃焼温度の場合にも、脈動の僅かの程度を発生するバーナーを供給することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、特許請求項１によるバーナーでもって解決される。このバーナーの有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
【００１３】
段付された燃料噴射部を有する本発明のバーナーは、基本的に、燃焼用空気流のための渦発生器、および、この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段から構成されている。この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段は、少なくとも１つの、燃料流出開口部の第１のグループを有する第１の燃料供給部を備えており、且つ、燃料流出開口部の第２のグループを有する第２の燃料供給部が、これら燃料流出開口部の第１のグループからオフセットされている。これら燃料流出開口部の両方のグループ、並びに燃焼用空気のための流入開口部、通常、空気流入スリットは、この場合、そのことが同様に冒頭に記載した様式の１段式のバーナーシステムの場合の事柄でもあるように、渦形成体によって形成された渦空間に沿って配設されている。このことは、強制的に、この燃料を、流入スリットを通って流入する燃焼用空気内へと噴射するため、およびこの方法で可能な限り良好な混合を達成するために必要である。本発明のバーナーは、これら燃料流出開口部の、第１のグループと第２のグループとの間の移行領域において、分離部材が、渦空間内において設けられており、この分離部材が、燃焼室の方向に延在し、且つこの分離部材が、この第１のグループの領域において空気流入スリットを通って流入する燃焼用空気流を、これら燃料流出開口部の第２のグループの領域において流入する燃焼用空気流から分離することによって特徴付けられている。この分離は、この場合、少なくとも、渦空間の１つの領域にわたって、即ち、移行領域を出発点として燃焼室の方向に渦空間の領域内にまで行われ、この渦空間内において、これら燃料流出開口部の第２のグループが設けられている。
【００１４】
分離部材は、１つの部材から成るように、および多数の部材から成るように構成され得る。この分離部材は、有利には、バーナー軸線を囲繞する分離壁から構成される。この分離壁は、この場合、渦発生器の幾何学的な形状への適合状態で、有利には、少なくとも１つの部分領域にわたって、円筒形に形成されている。この渦空間の内部での分離部材、即ち分離壁によって、第１段のための一種の縮小された燃焼室、即ち、燃料流出開口部の第１のグループを通って渦空間内へと流入する燃料、およびこのことから結果として生じる燃料−空気混合を形成する、別個の容積が得られる。
【００１５】
このバーナーの作動方法　−この作動方法において、基本的に、燃料がこの第１段を介して供給される−　の場合、このことが始動時に、無負荷運転状態において、およびこのバーナーによって作動される設備、特にガスタービンの低い負荷の際に、パイロット装置の様式においての事柄であるように、火炎は、既に、この分離部材によって形成された容積の内部で形成される。
【００１６】
本発明のバーナーのこの実施形態によって、比較的に強い脈動は、同様に設備の低い負荷の場合にも、即ち、低い燃焼出力および低い全ての断熱的な燃焼温度においても可能とされる。発明者は、この場合、この様式の分離部材の無い第１段部の作動の際に、火炎が、一方では、相対的に自由な軸線方向の脈動を形成可能であること、および他方では、この脈動が、第２段部の領域において空気流入開口部を通って流入する燃焼用空気の冷却作用に基づいて支援されることを認識した。第１の段部の領域において渦空間内へと流入する空気流と、第２の段部の領域において流入する空気流との間の分離部材の挿入によって、低いバーナー出力の際のこれら空気流の間の相互作用は防止される。このことは、他方また、有利な方法で、燃焼脈動の減少を誘起する。
【００１７】
有利な実施形態において、バーナーは、燃料ランスを備えており、この燃料ランスが、分離部材の、即ちこの分離部材によって形成された容積の領域内に至るまで延在している。この燃料ランスは、従って、従来技術から１段式の燃料噴射部を有するバーナーとの関連において公知の、燃料ランスまたはパイロットランスに比べて延長されている。この分離部材の容積内に至るこの燃料ランスの延長によって、燃料−空気混合のための付加的な安定点が、「段飛躍」によって、第１段部のランススリットを介して形成され、且つ、燃焼の軸線方向の脈動が、更に減少される。
【００１８】
有利には、分離部材の壁部が冷却管路を有しており、これら冷却管路に、燃焼用空気が、渦発生器の上流側から供給される。これら冷却管路は、この場合、燃焼室の方向に延在している。この冷却空気は、分離部材の燃焼室側の端部における相応する開口部を通って、渦空間内へと流出する。
【００１９】
分離部材は、有利には、渦発生器、もしくはこの渦発生器を形成するシェルと共に一体的に形成されており、または、この渦発生器に固定されている。バーナーの本発明の実施形態は、既に存在するバーナー構造を、費用と労力を要する新しい構造を設けること無しに、分離部材を備えることを可能にする。
【００２０】
次に、本発明のバーナーを、実施例に基づいて、図と関連して再度短く説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、そのことが従来技術から公知されており、且つ明細書導入部において既に説明したような１段式のバーナーシステムを示している。
【００２２】
本実施例において、原理的に、冒頭に記載した様式の従来技術、特にヨーロッパ特許第３２１　８０９号明細書から公知であるような、バーナーの幾何学的形状が使用されている。このバーナーは、渦形成体１から成り、この渦形成体が、この渦形成体１内において空気流入スリットを通して流入する燃焼用空気（矢印によって示されている）と、燃料を混合するための渦空間１ａを囲繞している。接続部において渦空間１ａに、燃焼室３が接続している。この渦発生器１は、公知の方法で、円錐形に形成されており、且つ多数の部分シェルから成っている。これら部分シェル内において、管路状の供給部４ａもしくは４ｂが、渦空間１ａ内へと燃料を噴射するために設けられている。本発明のバーナーシステムの場合、２段式の燃料噴射部が使用され、この燃料噴射部において、燃料供給部４ａによる第１段部、および燃料供給部４ｂによる第２段部が形成されている。図において、この場合概略的に、第１段の燃料通路４ａ内における燃料流出開口部２ａの第１のグループ、並びに第２段の燃料通路４ｂ内における燃料流出開口部２ｂの第２のグループが、認識可能である。
【００２３】
もちろん、これら流出開口部２ａ、２ｂは、本実施例において、ただ概略的に図示されているだけであり、その際、これら流出開口部の数、分配、および幾何学的形状は、その都度の状況に適合されている。
【００２４】
第２段部４ｂへの燃料の供給導管６は、この実施例において、渦形成体１の外側壁に沿って案内される。第１段部４ａのための供給部は、この実施例において、明確に示されていない。
【００２５】
渦発生器１の中央の領域に、燃料ランス５が認識され、この燃料ランスは、バーナーの長手方向軸線７上で指向している。
【００２６】
この本発明によるバーナーの実施例の場合、分離部材８が設けられており、この分離部材は、バーナーの長手方向軸線７を、渦空間１ａ内において囲繞しており、且つ、基本的に、円筒形、もしくはつぼ形に形成されている。この分離部材８は、空気流入スリットを通って第１段部４ａの領域内において流入する燃焼用空気流を、第２段部４ｂの領域内において、この渦空間１ａの外側の区域内へと流入する燃焼用空気流から分離する。流入する燃焼用空気の流動過程は、両方の矢印によって認識可能である。この分離部材８は、この場合、燃焼室３へと開いている小容器状体の様式を形成している。燃料ランス５は、この実施例において、公知の配設に比して延長されており、且つ、ほぼ半分の高さに至るまで、この分離部材８によって形成された容積内へと延在している。この配設によって、両方の段部４ａおよび４ｂの領域において流入する燃焼用空気流の分離が達成され、従って、両方の流動の間で、如何なる相互作用も行われない。この分離部材８は、この場合、渦発生器１の燃焼室側の縁部に至るまでではなくて、むしろただ部分領域にわたってだけ延在している。
【００２７】
バーナーの低い負荷、もしくは低い出力において、燃料は、主として、第１段部４ａの燃料流出開口部２ａを通って、渦空間１ａの内部区域内へと、即ち、この渦空間内へと領域内において流入した燃焼用空気内へと噴射される。このことによって、参照符号９でもって図内において概略的に図示されている燃焼区域は、分離部材８の燃焼室側の縁部において形成する。この上記の作動方法での第１段部４ａの燃料の燃焼区域は、第２段部４ｂの領域内において流入する燃焼用空気流によって、妨害されない。何故ならば、火炎ルート（Ｆｌａｍｍｅｎｗｕｒｚｅｌ）が、この分離部材８の内部に存在するからである。燃焼の可能な脈動は、このことによって明確に回避され、且つこの火炎の安定性が、特に、段飛躍（Ｓｔｕｆｅｎｓｐｒｕｎｇ）（バックワーズ・フェーシング・ステップｂａｃｋｗａｒｄｓｆａｃｉｎｇｓｔｅｐ）を形成する延長された燃料ランス５によって改善される。
【００２８】
この場合、ガス状の燃料を、ランスを介して導入することは、意図されていない。両方の、図２でこのランス内において認識可能な管路は、ランス−冷却空気のため、および、中央に設けられたフラットジェットノズルを介しての二重燃料作動用の液状の燃料導入の可能性のためのものである。
【００２９】
より高いバーナー出力の場合、付加的に、第２段部４ｂを通って、より多くの燃料量が噴射され、このことによって、最終的に、燃焼区域は、参照符号１０でもって概略的に示された領域内へと移動する。この作動方法において、既に生じたより高い燃焼温度において、脈動の問題は、もはや、低い出力の際に存在する程度においては生じない。分離壁によって、同様に、第２段部４ｂを通って導入された燃料によって形成された火炎の火炎根元も、依然として、分離壁出口内における、もしくは分離壁出口における燃焼区域９でもって固定されている。
【００３０】
図において、同様に非常に良好に、冷却管路１１の様式における分離部材８のための冷却システムも、認識される。これら冷却管路１１は、第２段部の上流側で、渦発生器１内へと流入する燃焼用空気と結合されており、且つ、この冷却管路の流出開口部を、分離部材８の壁の燃焼室側の端部において有している。この流出する燃焼用空気は、この領域内において、矢印によって示されている。
【００３１】
本発明が同様に、少なくとも２段式の燃料の噴射部を介して燃焼用空気内へと作動される他のバーナー幾何学的形状に対して、使用可能であることは、自明のことである。この基本的な部材は、この場合、両方の段部の領域内において流入する燃焼用空気流を、相互に分離する分離部材である。この分離部は、少なくとも、渦空間の部分領域内において必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による、１段式のバーナーの図である。
【図２】
概略的な図示における、本発明のバーナーのための一例の図である。
【符号の説明】
１　　渦発生器
１ａ　渦空間
２　　燃料流出開口部
２ａ　第１段の燃料流出開口部
２ｂ　第２段の燃料流出開口部
３　　燃焼室
４ａ　第１段の燃料供給部
４ｂ　第２段の燃料供給部
５　　燃料ランス
６　　燃料導管
７　　バーナーの長手方向軸線
８　　分離部材
９　　燃焼区域１
１０　燃焼区域２
１１　冷却管路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention relates to a vortex generator for a combustion air stream having a stepped fuel injection section and a burner comprising means for introducing fuel into the combustion air stream. When
The means for introducing fuel into the combustion air stream comprises at least a first fuel supply having a first group of fuel outlet openings and a first of the fuel outlet openings. Downstream of the group, there is a second fuel supply having a second group of fuel outlet openings, and
First and second groups of fuel outlet openings and inlet openings for these combustion air streams are arranged along the vortex space formed by the vortex generator. An advantageous field of use for this type of burner is in steam and gas turbine technology.
[0002]
[Prior art]
EP 321 809 discloses a conical burner composed of a number of shells, a so-called double conical burner. A closed vortex flow is formed at the conical head by means of a vortex generator internally forming a vortex space composed of a number of shells of conical shape, which vortex flow is based on increasing vortices (Dolls). In the core, it becomes unstable along the tip of the cone and forms an annular vortex with a backflow. The shells of these vortex generators are configured such that tangential air entry slits for combustion air are formed along the burner axis. At the inflow edge of the conical shell formed by this, a feed is provided for the premixed gas, i.e. gaseous fuel, which feed runs along the vortex space in the direction of the burner axis. An outlet opening is provided for this premix gas. The gas is injected through these outlet openings or perforations transversely to the air inlet slit. This injection induces a good combustion gas or premix gas to mix with the combustion air in the context of the combustion air-combustion gas-flow vortices formed in the vortex space. Good mixing is a prerequisite for low NOx values during the combustion process in this type of premix burner.
[0003]
As a further improvement of this type of burner, EP-A-280 629 discloses a burner for a heat generator, which comprises a vortex generator followed by a fuel and combustion air. Has an additional mixing section for further mixing. The mixing section is, for example, configured as a downstream tube into which the flow leaving the vortex generator is transported without significant loss of flow. By means of this additional mixing section, the degree of mixing is further improved and, consequently, pollutant emissions are reduced.
[0004]
FIG. 1 schematically shows an example for this type of burner, in which fuel is provided in the vortex former 1 along the burner axis, through an outlet opening. In the supply passage, it is mixed with the inflowing combustion air. In this figure, a conical vortex former 1 of a burner is shown, in this case having a vortex space 1a surrounded by the vortex former, along which an outlet opening 2-this is formed. In the figure, a fuel supply has been extended, which is indicated by an arrow with respect to the fuel to be injected. These fuel supplies are generally formed as individual passages, which have fixed distributions of the fuel outlet openings 2 along the burner axis. Furthermore, in FIG. 1, a pilot lance 5 is visible, via which the fuel is injected directly into the vortex space 1a when the burner is started. Then, when the load increases, a switch is made from this pilot stage (Pilotierungsstuff) to a premixing operating state in which the fuel flows in through these fuel outlet openings 2. It is mixed with combustion air.
[0005]
The burner geometry of a further known premix burner is known from WO 93/17279. In this arrangement, a cylindrical vortex generator with an additional conical inner body is used. The premixed gas is likewise injected into the vortex space via a supply with a suitable fuel outlet opening along an axially directed air inlet slit. The pilot feed of the burner is provided at the end of the conical inner body. This pilot device, however, induces increased NOx emissions. This is because this method of operation merely results in insufficient mixing with the combustion air.
[0006]
In all known burner systems, a one-stage supply of fuel is provided in a premix operation. The size, distribution, arrangement, spacing, and quantity of the fuel supply member outlet openings along the burner axis are, in this case, the requirements for slight exhaust emissions, fire suppression limits, flashback limits, It must be optimized to meet requirements for combustion stability. In this case, it is almost impossible to fulfill all these requirements with a fixed distribution of these outlet openings, also under similarly varying operating and ambient conditions.
[0007]
A further disadvantage of the known methods for operating premix burners is that these premix burners are optimized under full load conditions due to low exhaust emissions and low combustion oscillations. . In order to start the burner and to start the gas turbine, an additional pilot stage is required, however, which significantly increases the emission values.
[0008]
In order to solve this problem, in the applicant's concurrently filed patent application, a burner device is proposed, in which means for introducing fuel into the combustion air stream. Comprises a first fuel supply having at least one first group of fuel outlet openings for a first premixed fuel quantity, and a second fuel outlet opening for a second premixed fuel quantity. A second fuel supply having a second group of fuel outlet openings downstream of the first group of sections. The fuel supply with these fuel outlet openings is in this case arranged in a vortex forming body along the vortex space in the longitudinal direction of the burner and for at least two mutually independent fuels. Is divided into passages. The use of a burner system of this type with a stepped fuel injection allows a clearly extended operating area compared to a single-stage burner system. In particular, the method of operation of the burner is optimally adapted to the respective operating load with regard to exhaust gas emissions. Furthermore, a fuel supply via the pilot lance is no longer necessary. The only actuation is that with these fuel outlet openings of the first stage (eg 2a in FIG. 2), a sufficiently high local temperature is induced on this burner axis, This is because the total adiabatic temperature is still lower.
[0009]
The extinction limit of the burner with a fully premixed fuel-air mixture has an extinction limit of 1600K or more. State-of-the-art AAP gas turbines are operated with a fuel-air mixture that generates adiabatic temperatures from 900 to 1600 Kelvin upon combustion at no load conditions and at low loads. It is therefore not possible to burn the fuel in all available combustion air, so that a core air enrichment in this burner is required by the pilot device in the region of the burner neck. This is particularly relevant for the above-mentioned burners of the prior art with a single-stage fuel injection.
[0010]
By distributing the fuel supply to two separate areas, the burner developed by the applicant with a multi-stage fuel injection, in particular, reduces the intensity of NOx emissions and combustion pulsations by 1650K. The above is shown at the relatively high flame temperature. If the first stage is operated essentially alone and thus fulfills the same function as the pilot stage, this pulsation problem, however, also always occurs at temperatures below 1500K.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a burner which produces a small degree of pulsation even at relatively low combustion temperatures of 1600 K or less.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
This problem is solved with a burner according to claim 1. Advantageous embodiments of this burner are the subject of the dependent claims.
[0013]
The burner according to the invention with a stepped fuel injection basically consists of a vortex generator for the combustion air flow and means for introducing fuel into this combustion air flow. ing. The means for introducing fuel into the combustion air stream comprises a first fuel supply having at least one first group of fuel outlet openings, and a first fuel supply having a first group of fuel outlet openings. A second fuel supply having a second group is offset from the first group of these fuel outlet openings. Both groups of these fuel outlet openings, as well as the inlet openings for the combustion air, usually the air inlet slits, are in this case the same in the case of a single-stage burner system of the type described at the outset. As described above, the vortex forming body is disposed along the vortex space. This is necessary in order to inject this fuel into the combustion air flowing through the inlet slit and to achieve the best possible mixing in this way. In the burner of the present invention, in a transition region between the first group and the second group of the fuel outlet openings, a separating member is provided in the vortex space, and the separating member is provided in the combustion chamber. And the separating member flows in the area of the second group of these fuel outlet openings the combustion air flow flowing through the air inlet slit in the area of the first group. It is characterized by being separated from the combustion air stream. The separation takes place here at least over one region of the vortex space, i.e. in the direction of the combustion chamber starting from the transition region and into the region of the vortex space, in which the fuel outlet openings are located. A second group of divisions is provided.
[0014]
The separation member may be configured to be of one member and of multiple members. This separating element advantageously consists of a separating wall surrounding the burner axis. In this case, the separating wall is formed cylindrically, preferably over at least one partial region, in a manner adapted to the geometry of the vortex generator. By means of the separating element or separating wall inside this vortex space, it flows into the vortex space through a kind of reduced combustion chamber for the first stage, ie a first group of fuel outlet openings. A separate volume is obtained which forms the fuel and the fuel-air mixture resulting therefrom.
[0015]
In the case of the method of operation of the burner, in which, in principle, fuel is supplied via the first stage, this is activated at start-up, in a no-load operating state and by the burner. At low loads of the installation, in particular of the gas turbine, as is the case in the manner of a pilot device, the flame is already formed inside the volume formed by this separating element.
[0016]
With this embodiment of the burner according to the invention, relatively strong pulsations are likewise possible at low loads of the installation, i.e. at low combustion powers and at all low adiabatic combustion temperatures. The inventor has found that in this case, upon actuation of the first stage without this type of separating element, the flame can, on the one hand, form a relatively free axial pulsation, and on the other hand, It has been recognized that this pulsation is supported by the cooling action of the combustion air flowing through the air inlet opening in the area of the second stage. Due to the insertion of a separating element between the air flow entering the vortex space in the region of the first step and the air flow entering in the region of the second step, these air flows at low burner output Interaction between is prevented. This, on the other hand, also induces a reduction in the combustion pulsations in an advantageous manner.
[0017]
In an advantageous embodiment, the burner comprises a fuel lance, which extends into the separating element, ie into the region of the volume formed by the separating element. This fuel lance is thus extended compared to the fuel lance or pilot lance known from the prior art in connection with a burner having a one-stage fuel injection. Due to the extension of the fuel lance into the volume of the separating element, an additional stability point for fuel-air mixing is formed by the "step jump" through the lance slit of the first step, and Axial pulsations of combustion are further reduced.
[0018]
Advantageously, the wall of the separating element has cooling lines into which the combustion air is supplied from upstream of the vortex generator. These cooling channels then extend in the direction of the combustion chamber. The cooling air flows out through corresponding openings at the end of the separating element on the combustion chamber side into the vortex space.
[0019]
The separating element is advantageously integrally formed with or fixed to the vortex generator or the shell forming the vortex generator. An embodiment of the invention of a burner makes it possible to equip the existing burner structure with a separating member without having to provide a costly and laborious new structure.
[0020]
Next, the burner according to the invention will be briefly described again with reference to the drawings based on an embodiment.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a one-stage burner system as is known from the prior art and has already been described in the introduction.
[0022]
In this embodiment, in principle, burner geometries are used in the manner described at the outset, in particular, as is known from EP 321 809. The burner comprises a vortex former 1 which mixes fuel with combustion air (indicated by arrows) flowing through an air inlet slit in the vortex former 1. It surrounds the space 1a. The combustion chamber 3 is connected to the vortex space 1a at the connection portion. The vortex generator 1 is formed in a known manner in a conical shape and consists of a number of partial shells. In these partial shells, a pipe-like supply 4a or 4b is provided for injecting fuel into the vortex space 1a. In the case of the burner system of the present invention, a two-stage type fuel injection unit is used, and in this fuel injection unit, a first stage unit formed by the fuel supply unit 4a and a second stage unit formed by the fuel supply unit 4b are formed. . In the figure, a first group of fuel outflow openings 2a in the first stage fuel passage 4a and a second group of fuel outflow openings 2b in the second stage fuel passage 4b are schematically illustrated in this case. Is recognizable.
[0023]
Of course, these outlet openings 2a, 2b are only schematically shown in this embodiment, the number, distribution and geometry of these outlet openings being each time. Adapted to the situation.
[0024]
The fuel supply conduit 6 to the second stage 4b is guided along the outer wall of the vortex former 1 in this embodiment. The supply for the first step 4a is not explicitly shown in this embodiment.
[0025]
In the central region of the vortex generator 1, a fuel lance 5 is recognized, which is oriented on the longitudinal axis 7 of the burner.
[0026]
In this embodiment of the burner according to the invention, a separating member 8 is provided, which surrounds the longitudinal axis 7 of the burner in the vortex space 1a and is essentially a cylinder. It is formed in a shape or a pot. The separating member 8 transfers the combustion air flow flowing through the air inlet slit in the region of the first step portion 4a into the region outside the vortex space 1a in the region of the second step portion 4b. Separate from the incoming combustion air stream. The flow process of the incoming combustion air is recognizable by both arrows. This separating element 8 in this case forms the form of a small container which opens into the combustion chamber 3. The fuel lance 5 is, in this embodiment, extended compared to the known arrangement and extends up to approximately half the height into the volume formed by this separating member 8. I have. With this arrangement, a separation of the incoming combustion air flow is achieved in the region of both steps 4a and 4b, so that no interaction takes place between the two flows. In this case, the separating element 8 does not extend to the edge of the vortex generator 1 on the combustion chamber side, but rather only over a partial area.
[0027]
At low load of the burner, or low power, the fuel mainly passes through the fuel outlet opening 2a of the first stage 4a into the interior area of the vortex space 1a, ie into this vortex space. Is injected into the combustion air that has flowed in. As a result, a combustion zone, which is schematically illustrated in the figure with reference numeral 9, forms at the edge of the separating member 8 on the combustion chamber side. The combustion zone of the fuel in the first stage 4a in this manner of operation is not obstructed by the incoming combustion airflow in the region of the second stage 4b. This is because a flame route (Flamenwurzel) exists inside the separating member 8. A possible pulsation of combustion is thereby clearly avoided, and the stability of the flame is, in particular, an extended fuel lance 5 which forms a Stuffsprung (backwards facing step). Is improved by
[0028]
In this case, the introduction of gaseous fuel via a lance is not intended. Both lines visible in this lance in FIG. 2 are capable of introducing liquid fuel for lance-cooling air and for dual fuel operation via a centrally located flat jet nozzle. It is for sex.
[0029]
In the case of a higher burner power, additionally, a greater amount of fuel is injected through the second stage 4b, so that, finally, the combustion zone is indicated schematically by the reference numeral 10. Move into the specified area. In this manner of operation, at the higher combustion temperatures already occurring, the problem of pulsation no longer occurs to the extent that it is present at low power. By means of the separating wall as well, the flame root of the flame formed by the fuel introduced through the second step 4b is still fixed with the combustion zone 9 in or at the separating wall outlet. I have.
[0030]
The cooling system for the separating element 8 in the manner of the cooling line 11 is also recognized very well in the figure. These cooling lines 11 are connected to the combustion air flowing into the vortex generator 1 on the upstream side of the second stage, and the outlet openings of the cooling lines are connected to the separation member 8. It is provided at the end of the wall on the combustion chamber side. This outgoing combustion air is indicated by arrows in this area.
[0031]
It is self-evident that the invention can likewise be used for other burner geometries which are driven into the combustion air via at least a two-stage fuel injection. . This basic element is in this case a separating element which separates the incoming combustion air streams in the region of both steps. This separation is necessary at least in a partial region of the vortex space.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a diagram of a one-stage burner according to the prior art.
FIG. 2
FIG. 3 is a schematic illustration of an example for the burner of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 vortex generator 1a vortex space 2 fuel outflow opening 2a first stage fuel outflow opening 2b second stage fuel outflow opening 3 combustion chamber 4a first stage fuel supply 4b second stage fuel supply 5 Fuel lance 6 Fuel conduit 7 Burner longitudinal axis 8 Separation member 9 Combustion zone 1
10 Combustion zone 2
11 cooling pipeline

Claims

A burner consisting essentially of a vortex generator (1) for a combustion air stream having a stepped fuel injection section and means for introducing fuel into the combustion air stream. And this burner then
The means for introducing fuel into the combustion air stream comprises at least a first fuel supply (4a) having at least one group of first fuel outlet openings (2a), and a fuel outlet. Downstream of the first group of openings (2a) is a second fuel supply (4b) having one group of second fuel outflow openings (2b); and
The fuel outlet openings (2a, 2b) for these combustion air streams and the first and second groups of inlet openings are arranged along the vortex space (1a) formed by the vortex generator (1). , Are arranged, and at that time,
In the transition region between the first group and the second group of the fuel outlet openings (2a, 2b), a separating member (8) is provided in the vortex space (1a), the separating member being In the region of the first group of these fuel outlet openings (2a), the first combustion air flow flowing into this vortex space (1a) is at least part of the longitudinal axis (7) of the burner. In the region of a second group of these fuel outlet openings (2b), which are configured to be separated from the second combustion airflow flowing into this vortex space (1a). Burner.

2. The separating element according to claim 1, wherein the separating element is formed by one or a plurality of separating walls which surround the longitudinal axis of the burner. 3. The burner as described in.

Burner according to claim 1 or 2, characterized in that the separating element (8) is formed essentially cylindrical or pot-shaped.

Burner system according to one of the preceding claims, characterized in that the separating member (8) is configured to be penetrated by the cooling line (11).

Burner system according to claim 4, characterized in that the cooling line (11) has an outlet opening towards the combustion chamber (3).

The burner has a central fuel lance (5), which is configured to extend into the volume formed by the separating element (8). A burner system according to any one of the preceding claims.